水位グラフ

ハイドログラフは、水が流れる河川、水路、導管の特定の地点を通過する流量（排出量）と時間の関係を示すグラフです。流量は通常、立方メートル毎秒（m³/s）または立方フィート毎秒（cfs）の単位で表されます。ハイドログラフは、降水量の変化と排出量の変化を時間経過とともに関連付けることがよくあります。^{[1]この用語は、特定の}排水口、または下水道ネットワーク内の場所に到達する水の量を示すグラフを指すこともあります。グラフは、下水道の設計、より具体的には、地表水下水道システムと合流式下水道の設計でよく使用されます。

用語

出典: ^[2]

退院: 川やその他の水路の特定の場所を通過する流量（単位時間あたりの量）。流量は川の特定の地点で測定され、通常は時間によって変化します。
アプローチセグメント: 嵐の前の川の流れ（先行流）。
上昇肢: 濃度曲線としても知られる流量グラフの上昇部分は、通常は降雨事象に応じて集水域からの流出量が長期にわたって増加していることを反映しています。
ピーク放電: 流量が最大となる流量グラフ上の最高点。
後退（または落下）肢: 後退肢は、ピーク流量から先に伸びます。雨水流 (急流または直接流出とも呼ばれます) の終わりと地下水由来の流量 ( 基底流量) への戻りは、後退肢の変曲点と見なされることがよくあります。後退肢は、ハイドログラフの初期段階で流域に蓄積された貯水量から水が引き出されることを示しています。
ラグ1: 自己相関法は、初期流量データセットを 1 時間単位シフトまたは「遅延」させることによって、流量データをそれ自体と比較します。Lag-10 は、初期データが 10 日間シフトされ、その後、シフトされていないバージョンのデータと比較されることを意味します。遅延時間と混同しないでください。
遅延時間: 最大降雨量からピーク流量までの時間間隔。
ピークを迎える時: 降雨開始からピーク流量までの時間間隔。
集中の時間: 集中時間とは、降水期間の終了からハイドログラフにおける速やかな流出の終了までの時間である。^[3]

ハイドログラフの種類には以下のものがある: ^[4]

河川流量グラフ
河川水位グラフ
降水量グラフ
暴風雨のハイドログラフ
洪水ハイドログラフ
年間水位グラフ（別名レジーム）
直接流出ハイドログラフ
有効流出水位グラフ
ラスター水位グラフ
Lag-1 水位グラフ
排水ネットワークにおける貯留の機会（例：湖、貯水池、湿地、水路、堤防の貯留容量）

ベースフロー分離

河川ハイドログラフは、通常、対象集水域からの流出に対するさまざまな水文学的プロセスの影響を決定します。地下水還流のタイミング、規模、期間は直接流出のものと大きく異なるため、これらの異なるプロセスの影響を分離して理解することが、さまざまな土地利用、水利用、天候、気候条件および変化による水文学的影響を分析およびシミュレートする鍵となります。

しかし、「基底流量」を「直接流出」から分離するプロセスは、不正確な科学です。これは、これら 2 つの概念自体が完全に異なるものではなく、無関係ではないことに一部起因しています。地下水からの戻り流量は、暴風雨の発生中および発生後に飽和または不浸透性地域からの地上流量とともに増加します。さらに、特定の水分子は、流域の出口に向かう途中で両方の経路を容易に移動できます。したがって、ハイドログラフで純粋な「基底流量成分」を分離することは、いくぶん恣意的な作業です。それでも、これらのハイドログラフの分離を実行するためのさまざまなグラフィカルおよび経験的手法が開発されています。直接流出から基底流量を分離することは、関心のある流域の降雨流出モデルを開発する際の重要な最初のステップになる可能性があります。たとえば、以下に説明する単位ハイドログラフの開発と適用などです。

単位流量グラフ

単位ハイドログラフ(UH) は、単位降雨量に対する流域の仮想的な単位応答 (流出量とタイミングの観点から) です。これは、単位期間にわたってその流域で均一な速度で均一に発生する1 単位 (例: 1 cm または 1 インチ) の有効降雨量から生じる直接流出ハイドログラフ(DRH) として定義できます。UH はハイドログラフの直接流出成分 (つまり、表面流出)にのみ適用できるため、ベースフロー成分を別途決定する必要があります。

UH は特定の流域に固有であり、有効降雨量の継続時間に対応する特定の時間長に固有です。つまり、UH は 1 時間、6 時間、または 24 時間の UH、または流域出口での直接流出の集中時間までのその他の時間長として指定されます。したがって、特定の流域には、それぞれが異なる有効降雨量継続時間に対応する多数の単位ハイドログラフが存在する可能性があります。

UH 技術は、単位降雨量が特定の流域からの対応する流出水に与える影響を定量化する実用的で比較的簡単に適用できるツールを提供します。^[5] UH 理論では、流域の流出応答は線形かつ時間不変であり、有効降雨量は流域全体で均一であると仮定しています。現実の世界では、これらの仮定はどれも厳密には正しくありません。ただし、UH 法を適用すると、通常、自然流域の洪水応答の妥当な近似値が得られます。UH 理論の基礎となる線形仮定により、重ね合わせと比例の原理を個別の嵐の要素に適用して結果として得られる累積ハイドログラフを決定することにより、時間の経過に伴う嵐の強度の変化 (つまり、嵐のハイエトグラフ) をシミュレートできます。これにより、任意の降雨イベントに対するハイドログラフ応答を比較的簡単に計算できます。

瞬間単位流量図は、概念をさらに洗練させたものです。IUH の場合、入力降雨量はすべて特定の時点で発生すると想定されます (もちろん、実際の暴風雨の場合はそうではありません)。この想定を行うことで、単位流量図の作成に伴う分析が大幅に簡素化され、地形学的瞬間単位流量図の作成に必要となります。

GIUH の作成は、特定の流域のトポロジーデータがあれば可能です。実際、特定の次数の河川の数、特定の次数の河川の平均長さ、および特定の次数の河川に直接流入する平均陸地面積のみが絶対に必要です (必要に応じて明示的に計算するのではなく、推定することもできます)。したがって、河川の高さや流量に関するデータがなくても流域の GIUH を計算することができますが、これらのデータは必ずしも入手できるとは限りません。

地下水文学ハイドログラフ

地下水文学（水文地質学）において、ハイドログラフは水位（帯水層を横切ってスクリーニングされた井戸の観測された水頭）の記録です。

通常、ハイドログラフは、非試験条件での帯水層の水頭を監視するために記録されます (例: 帯水層の季節変動を観察するため)。帯水層試験が行われているとき、結果として得られる観測値は、試験前のレベルから差し引かれ、水位の変化のみが処理されることが多いため、通常、水位低下と呼ばれます。

ラスター水位グラフ

ラスターハイドログラフは、大規模な多次元データセットの変動や変化を視覚化して識別するためのピクセルベースのプロットです。Keim (2000) によって最初に開発されたこのグラフは、流量の年間変動と年間内変動を強調する手段として、Koehler (2004) によって水文学に初めて適用されました。WaterWatch のラスターハイドログラフは、Koehler によって開発されたものと同様に、y 軸に年、x 軸に日数を表示します。ユーザーは、日次、7 日間、14 日間、および 28 日間の流量について、流量 (実際の値またはログ値)、流量パーセンタイル、または流量クラス (低流量の場合は 1、高流量の場合は 7) をプロットすることを選択できます。ラスターハイドログラフのより包括的な説明については、Strandhagen 他 (2006) を参照してください。

Lag-1水位グラフ

Lag-1 流量グラフは、時間軸なしで作成できる流量グラフです (Koehler 2022)。この手法により、Q、dQ/dt、d ² Q/dt ²などのデータ特性や、流量の増加、減少、または変化なしの傾向を 1 つのグラフで簡単に確認して理解できます。流量パルス参照線を簡単に追加して解釈できます。この方法は、時系列シリアル相関 Lag-1 グラフに基づいており、通常は不要ですが (それでも価値のある) 流量データ内に存在する自己相関を使用します。

x 軸は日付の流量 Q _tを表し、y 軸は翌日の流量 Q _t+1を表します。データの準備とプロット方法は、自己相関ラグ 1 プロットと同じです。ここで、1 は 1 日または毎日の時間ステップを示します。次の表は、時系列流量がどのようにシフトされるかを示しています。データの時間的順序が維持されることが重要です。x 値を「今日の流量」、y 値を「明日の流量」と考えると、データの順序を視覚化するのに役立ちます。

参照

参考文献

^シャーマン 、ルロイ K. (1932)。「流出ハイドログラフと流域のサイズおよび特性の関係」。アメリカ地球物理学連合の論文集。13 ( 1): 332–339。Bibcode :1932TrAGU..13..332S。doi : 10.1029/TR013i001p00332。ISSN 0002-8606 。
^ 「単位水位図理論：用語と仮定」。download.comet.ucar.edu 。 2023年2月28日閲覧。
^ 「単位ハイドログラフ理論：単位ハイドログラフ理論用語」. download.comet.ucar.edu . 2023年5月19日閲覧。
^ 「ハイドログラフ - ハイドログラフとは何か?」geology.com 。 2023年2月28日閲覧。
^ Holtan, HN; Overton, DE (1963-01-01). 「単純なハイドログラフの分析と応用」. Journal of Hydrology . 1 (3): 250–264. Bibcode :1963JHyd....1..250H. doi :10.1016/0022-1694(63)90005-2. ISSN 0022-1694.

Keim, DA 2000. ピクセル指向視覚化技術の設計：理論と応用。IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics、6(1)、59-78。
Koehler, R. 2004. ラスターベースの水文時系列分析と視覚化。アリゾナ大学博士論文。アリゾナ州ツーソン、189 ページ。
Koehler, R. 2022.準備中、「Lag-1 ハイドログラフ - 流量時系列データをプロットする別の方法」アメリカ水文学研究所紀要、2022年冬。
Strandhagen, E.、Marcus, WA、および Meacham, JE 2006。川の景色：イエローストーン大生態系の流量を表す（http://geography.uoregon.edu/amarcus/Publications/Strandhagen-et-al_2006_Cart_Pers.pdf へのホットリンク）。Cartographic Perspectives、第 55 号、秋。
L. シャーマン、「単位グラフ法による降雨量からの流量」、エンジニアリングニュースレコード、第 108 号、1932 年、501-505 ページ。

外部リンク

米国地質調査所 (USGS) は、米国内の何千もの河川の流量データをリアルタイムで提供しています。
米国地質調査所（USGS）は、米国内の流量観測所のラスター流量グラフ[1]を作成するためのオンラインツールキットも提供しています。
SCS 無次元単位ハイドログラフ。
単位流量グラフを計算して使用するための SERC アクティビティと Matlab コード。

[1] ^シャーマン 、ルロイ K. (1932)。「流出ハイドログラフと流域のサイズおよび特性の関係」。アメリカ地球物理学連合の論文集。13 ( 1): 332–339。Bibcode :1932TrAGU..13..332S。doi : 10.1029/TR013i001p00332。ISSN 0002-8606 。

[2] 「単位水位図理論：用語と仮定」。download.comet.ucar.edu 。 2023年2月28日閲覧。

[3] 「単位ハイドログラフ理論：単位ハイドログラフ理論用語」. download.comet.ucar.edu . 2023年5月19日閲覧。

[4] 「ハイドログラフ - ハイドログラフとは何か?」geology.com 。 2023年2月28日閲覧。

[5] Holtan, HN; Overton, DE (1963-01-01). 「単純なハイドログラフの分析と応用」. Journal of Hydrology . 1 (3): 250–264. Bibcode :1963JHyd....1..250H. doi :10.1016/0022-1694(63)90005-2. ISSN 0022-1694.